CN113640786B - 高精度fmcw测距方法、装置及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度FMCW测距方法，该方法适用于具有SoC芯片的测距装置，在该方法中SoC芯片的模数转换器的采样时间为整个Chirp周期。本发明公开了一种用于实现前述方法的高精度FMCW测距装置。本发明提供的高精度FMCW测距方法，利用整个Chirp周期采集到的数据进行快速傅里叶变换，等效为将整个快速傅里叶变换时间扩大，以提高测频精度，从而提高测距精度；而且该方法可直接在SoC芯片上完成高精度距离计算，无需外接单片机，可以降低测距系统的成本。
Description
技术领域
本发明是关于FMCW测距技术领域，特别是关于一种高精度FMCW测距方法、装置及存储介质。
背景技术
FMCW(调频连续波)大带宽雷达具有很高的距离分辨率和测距的精度，特别是在高精度近距离测量上有更为明显的优点。目前FMCW雷达测距一般都是采用FFT(快速傅立叶变换)法来获得回波中频在距离轴上的功率谱曲线，从而达到获取高距离分辨率的和高测量精度的目的。
今年美国出台了FCC认证和欧洲出台了CE认证，都对24G毫米波波段的使用进行了合规的限制，规定对目前24G的毫米波雷达只能使用在24GHz～24.25GHz的250M的扫频带宽，中国无线电委员会也对此有相关的法规要求。对于只能使用250M带宽极大的限制了测距的精度，相比于4G的扫频带宽，测距的精度相差了16倍，这对于需要高测距精度的使用场合250M的扫频带宽将无法满足要求。
为了克服这个问题，目前通用的做法是采用采样序列补零法，通过对采样得到的数据进行插值补零的方法，达到对更多数据进行FFT的变换运算细化了频谱，从而提高频率测量的精度，提高了测距的精度。该方法法有如下的局限性和缺点：1)只能对毫米波芯片ADC(模数转换器)采集的原始数据进行此种方法，对于那些集成度比较高的毫米波SoC(系统级芯片)，由于芯片本身输出就是1dfft的结果，此方法并不适用，所以此方法适用的范围有限制；2)即使毫米波SoC能够输出ADC采集的原始数据，后续对ADC的数据进行插值补零法达到要求，这就抛弃了soc本身集成的1dfft的运算功能，造成了资源的浪费，变相的提高了方案的成本，同时由于需要在外部的MCU(单片机)上进行1dfft的运算，这就对外部的MCU资源有一定的要求，这就提高了整个系统方案的成本。
因此，针对以上技术问题，有必要提供一种新的高精度FMCW测距方法。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高精度FMCW测距方法，其能够适用于集成度比较高毫米波SoC雷达，以获得较高的测距精度。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种高精度FMCW测距方法，用于具有SoC芯片的测距装置，该方法包括：
向目标发射特定波形的Chirp信号，形成所述Chirp信号的回波信号；接收所述回波信号并与所述Chirp信号混频后形成中频信号；基于SoC芯片的模数转换器在整个Chirp周期内对所述中频信号进行采样，获得采样数据；对所述采样数据进行快速傅里叶变换，得到频率数据；根据所述频率数据计算目标距离。
结合第一方面，在本发明的一个或多个实施方式中，所述Chirp周期由预调制阶段、调制阶段和后调制阶段组成，所述预调制阶段为恒频波段，所述调制阶段为升频波段，所述后调制阶段为降频波段。
结合第一方面，在本发明的一个或多个实施方式中，所述对采样数据进行快速傅里叶变换，具体包括：将所述采样数据与快速傅里叶变换的窗函数进行拟合后，对所述采样数据进行快速傅里叶变换。
结合第一方面，在本发明的一个或多个实施方式中，所述采样数据与快速傅里叶变换的窗函数进行拟合时，使所述采样数据中的所述调制阶段内采集到的数据与所述窗函数的主瓣对应。
结合第一方面，在本发明的一个或多个实施方式中，所述窗函数为汉宁窗。
结合第一方面，在本发明的一个或多个实施方式中，所述根据所述频率数据计算目标距离，具体包括：根据所述频率数据采用三点插值法计算目标距离。
第二方面，本发明提供了一种高精度FMCW测距装置，其包括SoC芯片，所述SoC芯片包括：发射模块、接收模块、模数转换器和处理模块；发射模块用于向目标发射特定波形的Chirp信号的，以形成所述Chirp信号的回波信号；接收模块用于接收所述回波信号并与Chirp信号混频后形成中频信号；模数转换器用于对所述中频信号进行采样，以获得采样数据；处理模块用于对采样数据进行快速傅里叶变换，得到频率数据，并根据所述频率数据计算目标距离；其中，所述模数转换器的采样时间为整个Chirp周期。
结合第二方面，在本发明的一个或多个实施方式中，所述Chirp周期由预调制阶段、调制阶段和后调制阶段组成，所述预调制阶段为恒频波段，所述调制阶段为升频波段，所述后调制阶段为降频波段。
结合第二方面，在本发明的一个或多个实施方式中，所述处理模块具体用于：将所述采样数据与快速傅里叶变换的窗函数进行拟合后，对所述采样数据进行快速傅里叶变换，得到频率数据，并根据所述频率数据计算目标距离。
第三方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，当其在处理器上运行时，实现前述的方法。
与现有技术相比，本发明提供的高精度FMCW测距方法，利用整个Chirp周期采集到的数据进行快速傅里叶变换，等效为将整个快速傅里叶变换时间扩大，以提高测频精度，从而提高测距精度；而且该方法可直接在SoC芯片上完成高精度距离计算，无需外接单片机，可以降低测距系统的成本。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式中提供的高精度FMCW测距方法流程图；
图2是根据本发明一实施方式中的整个Chirp周期的波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
根据FCC和CE的合规要求，在24G的频段带宽只有250MHz，频率范围是24GHz～24.25GHz，通常最高的有效带宽为240MHz，根据如下公式：
距离分辨率：
其中，c为光速，B为信号有效带宽；
采样后距离分辨率：
其中，c为光速，k为信号调制频率，T为快速傅里叶变换处理时间。
根据以上可以得到，在240M的带宽下距离分辨率约为0.625m。由FMCW的机制可以知道，测距即为测频，测频误差决定测距的误差。假设在连续测量的情况下，对差频信号做傅里叶变换后，差频信号的频谱幅度峰值可以精确的找到，所以测量精度主要信噪比决定。但是实际中，一般对中频信号进行离散的采样，然后对采样信号进行快速傅里叶变换，这样导致了频谱的离散化，找不到频谱幅度的正确峰值，引起频率的量化误差。测量噪声与量化噪声是独立统计的，所以测距精度由测距的均方根误差σR表示：
其中，σRN为由信噪比决定的测距均方根误差，σRQ为由频率量化引起的测距均方根误差。
公式(2)和(3)中，σfn为噪声环境中的测频最小均方误差，T为FMCW雷达的扫频周期，B为发射信号扫频带宽，σfq为频率量化引起的测频均方根误差。
将σRN和σRQ代入式(1)中可得：
由公式(4)可知，在带宽已定的情况下，测距精度取决于测频精度。
如图1所示，基于以上推导，本发明提供了一种高精度FMCW测距方法，该方法适用于具有SoC芯片的测距装置，该方法包括但不限于如下步骤：
向目标发射特定波形的Chirp信号，形成所述Chirp信号的回波信号；
接收所述回波信号并与所述Chirp信号混频后形成中频信号；
基于SoC芯片的模数转换器在整个Chirp周期内对所述中频信号进行采样，获得采样数据；
对采样数据进行快速傅里叶变换，得到频率数据；
根据所述频率数据计算目标距离。
具体地，目标可以是任何物品，例如，可以是人、山、车辆、树木、建筑物等等。
一示例性的实施例中，请参照图2所示，Chirp周期由预调制阶段Chirp pre时间、调制阶段T1时间和后调制阶段T2时间组成。其中，预调制阶段为恒频波段，调制阶段为升频波段，后调制阶段为降频波段。
一示例性的实施例中，对采样数据进行快速傅里叶变换，具体包括：将采样数据与快速傅里叶变换的窗函数进行拟合后，对所述采样数据进行快速傅里叶变换。
具体地，采样数据与快速傅里叶变换的窗函数进行拟合时，使所述采样数据中的调制阶段T1时间内采集到的数据与所述窗函数的主瓣对应。调制阶段T1时间内采集到的数据与所述窗函数的主瓣对应，可以降低预调制阶段chirp pre时间和后调制阶段T2时间内采集到的数据所带来的影响，提高信噪比。其中，窗函数优选为汉宁窗。
一示例性的实施例中，根据所述频率数据计算目标距离，具体包括：根据所述频率数据采用三点插值法计算目标距离。
下面结合具体的实施例，对本发明作进一步说明：
请参照图2所示，FMCW调制波形中，Chirp周期由预调制阶段Chirp pre时间、调制阶段T1时间和后调制阶段T2时间三部分组成。其中，真正的FMCW调制时间为T1时间。在现有技术中，数模转换器会在T1时间内采集有效的数据，采样数据的总数跟数模转换器的采样率相关。
以前述情况为例，在240M的有效带宽内，假如Chirp pre时间为100μs，T1时间为100μs，T2时间为200μs，整个Chirp周期时间为400μs，数模转换器的采样率为2.5M/s的话，则T1时间内采到的有效数据为250个点。现有技术中是以这250个点的有效数据进行快速傅里叶变换，根据计算可以得到距离精度约为0.625m。
而本发明提供的高精度FMCW测距方法，是以整个Chirp周期内采集到的全部数据进行快速傅里叶变换，即采样时间包括Chirp pre时间、T1时间和T2时间三部分，数模转换器的采样时间为400μs，总共可以采集到1000个数据点。并且，进行快速傅里叶变换时，是以这1000个数据点运算，由于用以快速傅里叶变换的数据点为现有技术的4倍(取决于T1时间内采集的数据点在整个Chirp周期内采集的数据点中的百分比)，其测频精度也相当于现有技术的4倍，即测距精度为现有技术的4倍，约0.156m。
为了降低Chirp pre时间和T2时间内采集的数据所带来的影响，可以把整个Chirp周期的采样数据，在做快速傅里叶变换时候与快速傅里叶变换的窗函数进行拟合。由于T1时间采集到的数据为有效数据，在和快速傅里叶变换窗函数进行拟合时，需要进行波形的设计，根据Chirp pre时间，平移波形，尽量把T1时间的波形对应于窗函数的主瓣，也就是整个窗函数的中间部分，以降低Chirp pre和T2时间所带来的影响，提高信噪比。
根据采样数据进行快速傅里叶变换后得到的频率数据，采用三点插值法可以计算得到目标距离。
综上所述，本发明提供的高精度FMCW测距方法，利用Chirp周期中调制阶段前后的Chirp pre时间和T2时间采集到的数据充当补零，等效为将整个快速傅里叶变换时间扩大，以提高测频精度，从而提高测距精度；而且该方法可直接在SoC芯片上完成高精度距离计算，无需外接单片机，可以降低测距系统的成本。
上述详细阐述了本发明实施例的方法，下面提供了本发明实施例的装置。
本发明一实施方式中的的高精度FMCW测距装置，其包括SoC芯片，该SoC芯片包括：发射模块、接收模块、模数转换器和处理模块。
发射模块用于向目标发射特定波形的Chirp信号，以形成所述Chirp信号的回波信号。接收模块用于接收所述回波信号并与Chirp信号混频后形成中频信号。处理模块用于对采样数据进行快速傅里叶变换，得到频率数据，并根据所述频率数据计算目标距离。
其中，所述模数转换器的采样时间为整个Chirp周期。Chirp周期由预调制阶段、调制阶段和后调制阶段组成；并且所述预调制阶段为恒频波段，所述调制阶段为升频波段，所述后调制阶段为降频波段。
一示例性的实施例中，处理模块具体用于将所述采样数据与快速傅里叶变换的窗函数进行拟合后，对所述采样数据进行快速傅里叶变换，得到频率数据，并根据所述频率数据计算目标距离。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有计算机程序，当其在处理器上运行时，实现图1所示的方法流程。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (5)
1.一种高精度 FMCW 测距方法，用于具有 SoC 芯片的测距装置，其特征在于，该方法包括：
向目标发射特定波形的 Chirp 信号，形成所述 Chirp 信号的回波信号；
接收所述回波信号并与所述 Chirp 信号混频后形成中频信号；
基于 SoC 芯片的模数转换器在整个 Chirp 周期内对所述中频信号进行采样，获得采样数据，所述 Chirp 周期由预调制阶段、调制阶段和后调制阶段组成，所述预调制阶段为恒频波段，所述调制阶段为升频波段，所述后调制阶段为降频波段；
将所述采样数据中的所述调制阶段内采集到的数据，与快速傅里叶变换的窗函数的主瓣对应，并进行拟合后，对所述采样数据进行快速傅里叶变换，得到频率数据；
根据所述频率数据计算目标距离。
2.如权利要求 1 所述的高精度 FMCW 测距方法，其特征在于，所述窗函数为汉宁窗。
3.如权利要求 1 所述的高精度 FMCW 测距方法，其特征在于，所述根据所述频率数据计算目标距离，具体包括：
根据所述频率数据采用三点插值法计算目标距离。
4.一种高精度 FMCW 测距装置，包括 SoC 芯片，其特征在于，所述 SoC芯片包括：
发射模块，用于向目标发射特定波形的 Chirp 信号，以形成所述 Chirp 信号的回波信号；
接收模块，用于接收所述回波信号并与 Chirp 信号混频后形成中频信号；
模数转换器，用于在整个 Chirp 周期内对所述中频信号进行采样，以获得采样数据，所述 Chirp 周期由预调制阶段、调制阶段和后调制阶段组成，所述预调制阶段为恒频波段，所述调制阶段为升频波段，所述后调制阶段为降频波段；
处理模块，用于将所述采样数据中的所述调制阶段内采集到的数据，与快速傅里叶变换的窗函数的主瓣对应，并进行拟合后，对采样数据进行快速傅里叶变换，得到频率数据，并根据所述频率数据计算目标距离。
5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，当其在处理器上运行时，实现权利要求 1~3 中任一项所述的方法。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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